生絲細度序列的視頻檢測

許建梅 費萬春 白倫

摘要： 生絲細度的動態檢測是生絲電子檢測技術中的關鍵問題，也是個難點。文章運用視頻圖像傳感技術和計算機動態檢測方法，對卷繞中的生絲細度序列進行在線檢測試驗，得到生絲細度序列的檢測數據，驗證了該檢測方法和系統的可行性。通過對檢測過程和結果進行討論和分析，指出傳感器和檢測系統的不足之處，有利于檢測系統的進一步完善和提高。文章為繅絲過程中絲徑的在線測控，生絲清潔和凈度的電子檢測檢驗等技術及裝置開發，提供了檢測的思路及其試驗結果。

關鍵詞： 生絲;細度序列;雙向檢測;動態檢測;視頻圖像

中圖分類號： TS147

文獻標志碼： A

文章編號： 1001-7003（2019）02-0008-05

引用頁碼： 021102

Abstract： Dynamic detection of raw silk fineness is a key ?and also a difficulty in electronic detection technology for raw silk. Online detection test was conducted on fineness sequence of winding raw silk with video image sensing technology and the method of computer dynamic detection in this study， test data on fineness sequence of raw silk was obtained， which verified the feasibility of the detection method and system. Based on discussion and analysis of the detection process and results， the deficiencies of the sensor detection system were identified， which made for further improvement of the detection system. This article provides ideas on detection and experimental results for on-line measurement and control of outer diameters of filaments in silk reeling process， and development of electronic detection technology and device for cleanness and neatness of raw silk.

Key words： raw silk; fineness sequence; bi-directional detection; dynamic detection; video image

生絲是由數根繭絲相互抱合并由絲膠粘合而成的。繭絲橫截面大致呈三角形，且繭絲成不規則的圓錐螺旋線排列，并以輕微的曲折狀態固著于生絲中，因此生絲的橫截面形狀可以看作近似橢圓形。有研究者對纖度為24.4dtex（22D）的生絲作400個以上切片，測量得到其截面長徑60～70μm，短徑40～50μm[1]。

生絲細度是描述生絲粗細程度的外形尺寸指標，一般認為，正確表示生絲的粗細應該采用截面積（或者生絲外徑）。由于生絲的外徑很小，一般為50μm左右，而且生絲的截面形狀是不規則的，因此很難用傳統方法檢測其截面積，所以目前一般不采用直接指標，而采用細度的間接指標，比如纖度。所謂纖度，是指線密度，即以單位長度絲條的質量克重來表示的絲條粗細指標，常用單位有dtex和D兩種。在公定回潮率下，絲長10000m，絲質量為1g時稱為1dtex，是法定計量單位。習慣上常用D，即絲長9000m，質量為1g時稱為1D[2]。

如果設纖維或紗線密度為γ，截面積為S，則根據上述兩定義可知纖度與S·γ成正比。可見，如果密度不同的纖維或紗線具有相同的纖度，那么它們的截面積則是不同的。比如，同樣為30dtex的生絲和丙綸絲，其實際粗細（截面積）是不同的。由于繭絲受蠶品種、飼育季節及繭層部位的影響，其密度不盡相同，因而繅制出來的生絲密度也存在差異，導致相同纖度的生絲其截面積可能并不相同。還有，這種細度的間接指標，難以進行在線測量，難以及時指導生絲纖度的生產管理。

由于自動繅絲機上常用的是定纖感知器，繅絲時按照一定絲條外徑進行生絲粗細調控[3]，而現行標準采用的是纖度指標，故可能會使得自動繅的生絲公量纖度難以控制，特別是在更換莊口時，這個問題會比較突出。

對于生絲細度的動態檢測，國內外都有過探索研究。周穎[4]分析了國際生絲電子檢測的沿革和世界絲綢業具有代表性的生絲電子檢測技術路線，提出了以生絲電子檢測技術為基礎的ISO生絲檢驗方法;陳慶官等[5]用光電傳感技術和分叉光纖等技術，研制了SD-I型細度儀，對繅制中的生絲進行了檢測探索;崔曉麗[6]用計算機對生絲細度動態檢測進行了探索;劉鳳嬌等[7]根據線陣CCD檢測生絲細度問題，對光學成像系統的光源和成像部分完成了設計;陶婷婷[8]對生絲細度序列進行動態檢測后，對繅絲工藝中的細限點進行分析和檢出;日本專家森川英明等[9]運用光電傳感的測量系統，對生絲的外徑進行了動態檢測試驗。然而某些電子檢測方法，是通過生絲的遮光量來進行檢測的[6，9]，生絲越粗遮光越多，從而通過光電傳感器感知生絲的粗細及其變化。雖然取得了某些進展，由于受到蠶品種和產地等方面的影響，生絲的透明度可能并不一致，用光電傳感原理，通過檢測遮光量，得到的不同莊口蠶繭的生絲細度，有可能缺乏嚴格的對應和比較關系。另外，目前生絲行業使用的生絲電子檢測儀雖然精密度較高，但是傳感器大多是國外進口，價格昂貴，不是一般生絲生產企業所能承受的。

基于目前生絲電子檢測技術中存在的問題，為了獲得更準確可行的檢測方法，本研究借助視頻和圖像處理技術方法進行了探索。視頻技術一般是指對連續的圖像序列，即前后相互關聯的多幀圖像進行動態處理的技術;而圖像技術更多指對靜態的，或是一幀圖片進行處理的技術。采用視頻技術，通過調整每秒幀數、絲條運動速度，以及每幀圖像中絲條影像長度則可以達到連續測量的目的。本研究旨在運用計算機視頻采集和處理技術，探索對卷繞中的生絲外徑進行視頻檢測，進而測算出生絲的截面積序列。

1?檢測方法

1.1?基本假設及其分析

假設生絲細度，在較短（<1cm）絲段范圍內基本不變，相鄰絲段大致相同，其截面形狀近似為橢圓，在互相垂直的方向檢測其兩個外徑2a和2b，于是可以得到其截面積為πab。事實上，生絲截面形狀是不太規則的。

假設卷繞中的生絲視頻就是該段生絲的前后關聯的圖像。事實上，動態視頻與靜態圖像（照片）之間會有一些差異，尤其是生絲卷繞速度較快的時候。

假設生絲粗細與成像大小，在一定的范圍內近似為線性正比關系，即生絲越粗，其生絲的成像面積越大。由于（卷繞中的）22.2/24.4dtex（20/22D）規格的生絲絲徑（直徑）為40μm左右，其絲徑變化大約在30μm～50μm。在其動態的成像面積過程中，細絲（截面形狀不規則）的光學衍射現象會影響其成像的邊緣，進而輕微影響其成像面積的大小，從而造成生絲粗細與成像大小之間可能存在一定的非線性關系。

1.2?裝置和方法

自制視頻檢測裝置。裝置內互相垂直的方向，即在待測生絲兩側固定好標準圓形細絲和粗絲，安裝兩個視頻攝像頭，用于拍攝相同的細絲、生絲和粗絲;兩個視頻攝像頭通過USB接口連接到一臺計算機，由計算機程序控制攝像頭的視頻采樣等操作。

對細絲、被測生絲和粗絲，在兩個相互垂直的方向進行拍攝后，進行圖像處理，獲得與生絲外徑大小對應的白色像素點個數，影像為絲條圖像經二值化處理后結果，其中出現縱向錯位是為了提高檢測精度[10]。因為細絲和粗絲是預先選好的已知直徑的標準圓形絲，所以，根據各白色像素點個數，通過插值公式可以推算出所測該段生絲的平均外徑2a和2b，于是可以得到其截面積為πab。

1.3?檢測系統簡介

卷繞機構使被測生絲的卷繞速度約為8m/min。計算機系統必須有兩個以上的USB接口，用于連接兩個攝像頭組件。采用MATLAB應用環境及其編程語言。

攝像頭組件選用的是KS2A17，采用CMOS圖像傳感器。像素尺寸是3.0μm×3.0μm，由于需要用鏡頭對被測物進行焦距調節，所以，每個像素對應的實際被測物尺寸大約是67μm。分辨率1280pixel×720pixel時，每秒最多可達60幀，本檢測系統運行時，因為要進行實時的圖像處理，所以實際檢測運行時采樣頻率約為10幀/s。

每幀圖像對應實物選取高度（對應被測絲長）約為8mm，相鄰兩次被測絲段之間，約有4～5mm絲段跳空未被檢測。如果需要對所有絲段進行不間斷連續檢測，可以通過加快采樣頻率或者增加每幀圖像選取高度來實現。

每次視頻采樣后，計算機對視頻圖像進行實時處理，得到與生絲外徑相應的像素點個數等信息。檢測結束，系統給出生絲細度及其移動平均的序列圖，得到最大最小絲徑對應的絲段圖像，以及平均值和標準差S。

2?試?驗

2.1?檢測條件

每次檢測試驗前，系統須預熱約1h，以減少攝像頭組件圖像傳感器件存在的漂移帶來的影響。生絲卷繞速度約為8m/min，一次試驗檢測卷繞中的生絲30min，其檢測的絲長約為240m。

檢測試驗用的樣絲是浸泡生絲，即經過浸泡后烘干的生絲，規格是22.2/24.4dtex，等級是5A。

2.2?檢測結果及其分析

檢測試驗的結果。上面兩個序列是相互垂直方向的兩個生絲外徑序列圖;下面是根據橢圓面積公式計算得到的截面積序列圖，藍色線表示實測值，紅色的表示相鄰若干檢測點的平均值，中間的黃線表示整體平均值，黃線上下的兩根黑色虛線表示±0.01，兩根黑色點劃線表示±S。

生絲外徑序列圖可以得出，所測生絲的平均絲外徑約為41μm，比許多以前資料上給出的不加張力的外徑（約55μm）[1]細一些。造成這一差異的原因，可能與生絲的含水率有一定的關系。另外，在顯微鏡下觀察生絲外徑時，生絲試樣在蓋玻片下受壓，觀察得到的生絲外徑常偏粗，以及卷繞中的生絲，由于受張力的牽引拉伸，所測得的生絲外徑自然會比未受張力牽引的生絲偏小。

根據截面積序列圖可以得出，采用截面積指標，比單獨采用生絲單一外徑來分析生絲細度序列更加清晰。在檢測絲長20、70、120m和205m附近，各有一個添緒過程，其中120m附近的添緒，有可能是因為中途落緒引起的。

在檢測系統的軟件運行時，還對最粗最細絲的位置和圖像進行了鑒別和保存，某最粗絲段的圖像，保存這類絲段的圖像，可能有利于分析和識別生絲的粗細節、糙疵等疵點。

3?討?論

3.1?生絲外徑視頻檢測相對誤差的估算

如果檢測試驗滿足生絲縱向與縱軸有一定的微小角度，那么，窗高120個像素點對應8mm，每個像素對應的實際尺寸8000/120≈67μm;如果生絲粗細變化引起視頻圖像有一個像素點差異，則造成的絲徑差異δ=67/120≈0.56μm，假設生絲外徑D≈41μm，則相對誤差δ/D<1.4%[10]。以上是估算，實際運行情況下，其相對誤差可能會有一些出入。

3.2?影響檢測精確度的因素

1）視頻探頭中的圖像傳感元件的漂移現象，為了減少漂移所帶來的影響，檢測試驗前，不得不對系統進行長時間（1h）的預熱。因為成像后，都是數字信號的處理和分析過程，所以不會再產生漂移現象。期待著能有（預熱時間短的）快速穩定的攝像頭。2）視頻圖像的閃爍現象，仔細觀察視頻會發現，即使所測生絲靜止不動，所測生絲視頻的邊緣也存在微弱的閃爍現象。

3.3?檢測速度

檢測速度主要依賴于傳感器和計算機。本研究只是用視頻圖像方法進行了生絲外徑動態檢測的探索試驗，并沒有選用性能指標最好的攝像頭組件和計算機系統，也沒有采用所用攝像頭的最快采樣頻率;計算機也不是專用的工業控制計算機，采用了解釋型編程語言MATLAB，處理速度也不夠快，因此還有較大提升空間。目前檢測生絲卷繞速度（8m/min）比較慢，離生絲檢驗的要求（400m/min）差距較大。期待著能有更高速更穩定清晰的視頻探頭問世并市場化。

3.4?應用方向

1）生絲生產：經過一定的改善措施，期待將來可以用于繅絲機各緒之間絲徑的在線檢測，獲得實時的各緒生絲外徑后，可以分析生絲的細限外徑（纖度）值，可以對定纖感知器及時進行調節，以減少生絲纖度的緒間偏差。2）生絲檢驗：需要等待攝像頭的采樣速度和圖像質量等有了大幅度改善之后，希望能對生絲視頻圖像進行粗細節、糙疵等疵點識別檢驗。

4?結?語

運用視頻圖像傳感、圖像處理技術和計算機動態檢測生絲外徑的方法，自制了檢測裝置，編制了計算機程序，并進行了探索試驗，得到了生絲細度序列的檢測數據，驗證了該檢測方法的可行性。該裝置結構簡單、檢測準確、成本低廉，為中國生絲電子檢測設備自主化知識產權道路的探索提供了一種思路。如果對攝像頭組件及計算機系統進行性能升級，該系統對于繅絲過程中各緒之間絲徑的在線測控，生絲疵點條干的電子檢測檢驗等方面，都具有一定的技術可行性與應用前景。

本研究中所采用的攝像頭圖像傳感器，還存在較嚴重的漂移現象及圖像邊緣的閃爍現象，攝像的采樣頻率有待于提高，檢測系統的處理速度也需提高。此外，檢測裝置開始正常工作之前還需要較長的預熱時間。這些問題的存在，表明纖細軟材料的實用動態檢測目前依然是一項高難度的工作。

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